Conception préliminaire et optimisation d’avion a fuselage intègre blended wing body (BWB)

Abstract

Résumé L’avion à fuselage intégrée ou Blended Wing Body (BWB) est basé sur le concept d’aile volante et présente des performances améliorées comparé à des avions conventionnels. Par contre, la plupart des études se sont penchées sur des avions de grande à très grande capacité et il n’est pas clair si les gains seront les mêmes pour des avions plus petits. Ce concept original nécessite de nouvelles méthodes de conception adaptées à ses particularités telles que le fort couplage de ses composantes. L’objectif principal de ce mémoire est d’effectuer la conception conceptuelle d’un avion a fuselage intégrée de 200 passagers et de comparer les performances obtenues à un avion classique l’A320 équivalent en termes de nombres de passagers et distance franchissable. L’environnement CEASIOM a été choisi pour réaliser la conception du BWB. Cette plateforme de design connue pour le design d’avion conventionnel a été modifiée et des outils complémentaires ont été intégrés afin de réaliser l’analyse aérodynamique, performance et stabilité de l’avion à fuselage intégré. Un modèle d’avion est obtenu dans le module géométrique AcBuilder de CEASIOM à partir des variables de design d’une aile conventionnelle. Les estimations de masse sont réalisées à partir de formules semi-empiriques adaptées à la géométrie du BWB et les calculs de centrage et inerties sont obtenues par un modèle BWB développé sous CATIA. Des méthodes basses fidélité, comme TORNADO, et des formules semi-empiriques sont utilisées pour analyser l’aérodynamique, la performance et la stabilité de l’avion. Les résultats aérodynamiques sont validés à l’aide d’une analyse haute-fidélité utilisant le logiciel CFD FLUENT. Un processus d’optimisation est implémenté afin d’obtenir des performances améliorées tout en respectant les contraintes. Il s’agit d’une optimisation de la forme en plan de l’avion. Les performances de l’avion BWB optimisé sont comparées à un A320 également optimisé. Des gains significatifs sont observés. Enfin, une analyse de la dynamique de vol longitudinal et latéral est réalisée sur l’avion BWB optimisé. Cette étude a permis d’identifier les modes stables de l’avion et a mis en évidence les problèmes potentiels de stabilité liés à l’oscillation d’incidence et au roulis hollandais.

Abstract The Blended Wing Body is built based on the flying wing concept and performance improvements compared to conventional aircraft. Contrariwise, most studies have focused on large aircraft and it is not sure whether the gains are the same for smaller aircraft. The main of objective is to perform the conceptual design of a BWB of 200 passengers and compare the performance obtained with a conventional aircraft equivalent in terms of payload and range. The design of the Blended Wing Body was under carried out the CEASIOM environment. This platform design suitable for conventional aircraft design has been modified and additional tools have been integrated in order to achieve the aerodynamic analysis, performance and stability of the aircraft fuselage built. A plane model is obtained in the geometric module AcBuilder CEASIOM from the design variables of a wing. Estimates of mass are made from semi- empirical formulas adapted to the geometry of the BWB and calculations centering and inertia are possible through BWB model developed in CATIA. Low fidelity methods, such as TORNADO and semi- empirical formulas are used to analyze the aerodynamic performance and stability of the aircraft. The aerodynamic results are validated using a high-fidelity analysis using FLUENT CFD software. An optimization process is implemented in order to obtain improved while maintaining a feasible design performance. It is an optimization of the plan form of the aircraft fuselage integrated with a number of passengers and equivalent to that of a A320.Les performance wing aircraft merged optimized maximum range are compared to A320 also optimized. Significant gains were observed. An analysis of the dynamics of longitudinal and lateral flight is carried out on the aircraft optimized BWB finesse and mass. This study identified the stable and unstable modes of the aircraft. Thus, this analysis has highlighted the stability problems associated with the oscillation of incidence and the Dutch roll for the absence of stabilizers.